上海交通大学：《物理异想》课程教学资源（课件讲稿）Ch04 二十世紀初的啟示

1 Electricity Heat 1750 Franklin Joule Coulomb Camot 古典物理截至 Mechanics 1600 Ampere Maxwell Faraday 1900年的發展： Galileo Boltzmann 1890 Newton 1700 Maxwell 1880 Optics 670 Newton All Fundamental Discoveries in Young Physics have already been made, Foucault and subsequent developments Fresnel 1850 will be in the sixth place of decimals.(Michelson,1894) 古典力學 電磁學 關键觀念的發展 (光學) 熱力學 ·公元年代 1600 1700 1800 1900 交源大李威 2012物理是想

1 交通大學 李威儀 2012 物理異想 古典物理截至 1900年的發展 : 公元年代 關 鍵 觀 念 的 發 展 古典力學 電磁學 (光學) 熱力學 1600 1700 1800 1900

1900年時，物理學家的意氣風發可以由當時英國物理學家凯爾文勳爵(Lord Kelvin，2 亦即Villiam Thomson)的一段話看出。凯爾文勳爵在一次展室新世紀科學發展的演 說中指出：「從今以後，物理學將不再有任何新的進展。剩下來的工作只是不斷的改 良测量的精確度，如此而已。」(“There is nothing new to be discovered in physics now.All that remains is more and more precise measurement.")o. ··然而，凯爾文勳爵接下來說了：「…但是天邊還有兩朵小小的、令人不安的烏 要。」（”.two small,puzzling clouds remained on the horizon'”)。)邁克遜的 以太漂移實驗以及黑體輻射實驗·以太漂移實驗及黑體輻射實驗都跟光有關。前者證 明了光速的恆定性’顛覆了世人對於時間與空間的既有概念；後者導致量子力學的建 立，徹底改變了20世紀人類的物質文明。（2005物理雙月刊郭西川川) ·量子力學的靈感是肇因於一些無法以古典物理或牛頓力學解釋的現象： Balckbody Radiation Photoelectric Effect X-ray Production 交源大孽李威熊 2012物理果源

2 交通大學 李威儀 2012 物理異想 1900年時，物理學家的意氣風發可以由當時英國物理學家凱爾文勳爵 (Lord Kelvin， 亦即 William Thomson)的一段話看出。凱爾文勳爵在一次展望新世紀科學發展的演 說中指出：「從今以後，物理學將不再有任何新的進展。剩下來的工作只是不斷的改 良測量的精確度，如此而已。」 ( “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.” )。‧ ‧ ‧ 然而，凱爾文勳爵接下來說了：「…但是天邊還有兩朵小小的、令人不安的烏 雲。」( ”…two small, puzzling clouds remained on the horizon” )。 邁克遜的 以太漂移實驗以及黑體輻射實驗。以太漂移實驗及黑體輻射實驗都跟光有關。前者證 明了光速的恆定性，顛覆了世人對於時間與空間的既有概念；後者導致量子力學的建 立，徹底改變了20世紀人類的物質文明。 ( 2005 物理雙月刊 郭西川 ) • 量子力學的靈感是肇因於一些無法以古典物理或牛頓力學解釋的現象 : Balckbody Radiation Photoelectric Effect X-ray Production

QA DiSNEP 2004 PICTURES PRESENTS JACKIE CHAN AROUR▣ William Thomson (Lord Kelvin) THE WUORLD Lord Kelvin In the movie

3 交通大學 李威儀 2012 物理異想 2004 Lord Kelvin In the movie

4 ·近代物理 相對論(Theory of Relativity) Special Relativities →解釋極高速運動粒子的行為及現象 General Relativities →解釋萬有引力與空間幾何性質的關聯 量子力學(Quantum Mechanics) →解釋比原子更小的世界 古典力學 電磁學 關键觀念的發展 (光學) 相對論 量子力學 熱力學 公元年代 1600 1700 1800 1900 交源大李威熊 2012物理是想

4 交通大學 李威儀 2012 物理異想 • 近代物理 相對論 ( Theory of Relativity ) Special Relativities  解釋極高速運動粒子的行為及現象 General Relativities  解釋萬有引力與空間幾何性質的關聯 量子力學 ( Quantum Mechanics )  解釋比原子更小的世界 公元年代 關 鍵 觀 念 的 發 展 古典力學 電磁學 (光學) 熱力學 相對論 量子力學 1600 1700 1800 1900

X光的產生是古典物理理論無法解釋的 量子的故事 Quantum Story

5 交通大學 李威儀 2012 物理異想 量子的故事 Quantum Story X-光的產生是古典物理理論無法解釋的

6 黑體輻射(Blackbody Radiation) Source Radiant energy ·任何有溫度的物體都會一直不停的釋放出電磁波 紫外線 可見光 紅外線 紫外線 可見光 紅外線 Prism 絕對温度 7200度 絕對滥度 4800度 Detector 10 2 8 10 波長110米 波最/107米 The Visible Spectrum 紫外缺 可見光 紅外缺 案外綡 可見光 紅外缺 infrared ultraviolet light light 絕對酒度 700 600 5s00 00 5800度 絕對温度 Wavelength (nm) 4200度 8 10 0 10 波長/10米 波長/10米 影像處理過 的人體紅外 線影像圓 2012物理果想

6 交通大學 李威儀 2012 物理異想 黑體輻射 ( Blackbody Radiation ) 輻射強度 輻射強度 輻射強度 輻射強度 • 任何有溫度的物體都會一直不停的釋放出電磁波 影像處理過 的人體紅外 線影像圖

7 黑體輻射(Blackbody Radiation) Source Radiant energy ·任何有溫度的物體都會一直不停的釋放出電磁波 Prism 画 Detector blackbody-spectrum.jar The Visible Spectrum infrared ultravioldl light light 700 600 d 00 Wavelength(nm) 影像處理過 的人體紅外 線影像圓 2012物理異想

7 交通大學 李威儀 2012 物理異想 黑體輻射 ( Blackbody Radiation ) • 任何有溫度的物體都會一直不停的釋放出電磁波 影像處理過 的人體紅外 線影像圖

8 ●物體也會吸收電磁波 入射能量：E 反射0.03E 入射能量：E 反射0.9E lamp-black surface silver-coated surface ~0.97E 0.97E ~0.1E 0.1E absorbed emitted absorbed emitted ·Blackbody：完全吸收落於其上的電磁波 ) 電磁波的完全吸收體(perfect absorber) [A material that is a good EM wave absorber>also a good emitter L A material that is a poor EM waver absorber>also a poor emitter Blackbody同時是電磁波的 完全吸收體(perfect absorber)及 完全放射體(perfect emitter) 交源大擎李威熊 2012物理是想

8 交通大學 李威儀 2012 物理異想 • Blackbody : 完全吸收落於其上的電磁波  電磁波的完全吸收體 ( perfect absorber ) Blackbody 同時是電磁波的 完全吸收體 ( perfect absorber ) 及 完全放射體 ( perfect emitter ) ~ 0.97 E absorbed lamp-black surface 入射能量 : E 反射 0.03E ~ 0.1 E absorbed silver-coated surface 入射能量 : E 反射 0.9E 0.97E emitted 0.1E emitted A material that is a good EM wave absorber  also a good emitter A material that is a poor EM waver absorber  also a poor emitter • 物體也會吸收電磁波

9 A cavity with a small hole a blackbody The spectrum of cavity radiation is independent of the material in the walls of the cavity. Detected radiation Pinhole Container at a temperature T 交源大孽李威熊 2012物理是想

9 交通大學 李威儀 2012 物理異想 A cavity with a small hole  a blackbody The spectrum of cavity radiation is independent of the material in the walls of the cavity

10 黑體輻射頻譜(Spectrum of Blackbody) 5000K (1)Continuous with a Spectral curves for blackbody radiators broad maximum 4000K (A):spectral radiance, 3500K energy per wavelength 3000K 2000K emitted per unit time per 1x1075x07 1x10-61.5×10-62x1062.5x10-63x10 unit area of the blackbody Wavelength(m) Umax=c/Amax (2)Energy emitted per unit time per unit area from experiment ) 0 -J0)d帆=oT4，g=5.67x108WMm2k4) (3)Umax T,Amax 1/T 交源大孽李威熊 2012物理果源

10 交通大學 李威儀 2012 物理異想 黑體輻射頻譜 ( Spectrum of Blackbody ) (1) Continuous with a broad maximum I ( l ) umax = c/lmax (2) Energy emitted per unit time per unit area ( from experiment ) : IT =  I(l) dl = s T 4 , s = 5.67 x 10-8 W/( m2 k 4 )  0 (3) umax  T , lmax  1/T I(l) : spectral radiance, energy per wavelength emitted per unit time per unit area of the blackbody